本文通過(guò)對(duì)充放電倍率對(duì)電池衰減的分析，提出通過(guò)等倍率充放電來(lái)降低小容量電池衰減速度的思想，借助高效轉(zhuǎn)移式電池均衡器對(duì)差異巨大電池組的循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)，對(duì)等倍率充放電理論進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，等倍率充放電是控制電池衰減、提高容量利用率的最有效手段。

關(guān)鍵詞：電池衰減，充放電倍率，等倍率，電池均衡

1、充放電倍率差異對(duì)電池組一致性的影響

大功率儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為獲得更大容量，有時(shí)還要采取多并多串結(jié)構(gòu)，電池配組后，我們期望的結(jié)果是電池組的充放電容量穩(wěn)定、各單元電池的電壓近似相同，電池組的使用壽命接近單個(gè)電池的設(shè)計(jì)使用壽命，不發(fā)生明顯的電壓一致性問(wèn)題，充電時(shí)電壓同步上升，沒(méi)有電池發(fā)生過(guò)充電問(wèn)題；放電時(shí)電壓同步下降，沒(méi)有電池發(fā)生過(guò)放電問(wèn)題。

但現(xiàn)實(shí)卻是殘酷的，大量的使用數(shù)據(jù)顯示，電池組的滿功率實(shí)際循環(huán)使用壽命通常只有單體電池設(shè)計(jì)壽命的1/5～1/3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，問(wèn)題嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生“熱失控”故障并引發(fā)安全事故。而導(dǎo)致電池組壽命短的最根本的原因，就是電池組的一致性問(wèn)題未能得到根本解決。

電池組的一致性問(wèn)題發(fā)生的原因非常復(fù)雜，既有電池生產(chǎn)制造工藝上的原因，簡(jiǎn)稱內(nèi)因，無(wú)法改變。如內(nèi)阻、自放電率（自身漏電）、容量等參數(shù)的差異，也有使用期間的外界環(huán)境因素，簡(jiǎn)稱外因，如環(huán)境溫度、充放電電壓、充放電電流、充放電倍率等。綜合來(lái)看，外因?qū)σ恢滦缘挠绊懜?，是需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的，通過(guò)技術(shù)手段可以進(jìn)行優(yōu)化和解決。

我們知道，充放電電流與于放電倍率密切關(guān)聯(lián)，在充放電流不變的情況下，電池的容量就起到了決定性因素，容量越大，充放電倍率越??；容量越小，充放電倍率越大。同時(shí)充放電倍率又直接影響到電池的溫升、電壓升降速度以及充放電限制電壓等等，相互關(guān)系如圖1所示：

圖1 充放電倍率對(duì)電池衰減影響示意圖

充放電倍率差異形成機(jī)理表明，小容量電池的充放電倍率逐漸上升與其容量不斷降低直接關(guān)聯(lián)，二者互相促進(jìn)，進(jìn)入惡性循環(huán)。由此可以得出結(jié)論，控制電池的充放電倍率是防控電池衰減的關(guān)鍵。

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，充放電倍率對(duì)于鋰離子電池衰降速度具有極大的影響，趨勢(shì)和結(jié)論是：充放電倍率越大，電池衰減速度越快，標(biāo)準(zhǔn)充放電倍率及以下，電池的衰減速度最小?？梢?jiàn)，合理控制電池的充放電倍率是保證電池循環(huán)使用壽命的保證，特別是放電倍率。如圖2所示：

圖2 放電倍率對(duì)某類型鋰電池循環(huán)使用壽命的影響

新裝配電池組，由于電池多為同一批次，每塊電池的容量、內(nèi)阻和電壓都接近，實(shí)際放電倍率和輸出功率都基本相同，因此電池組的動(dòng)力輸出表現(xiàn)和續(xù)航時(shí)間最佳，使用上的表現(xiàn)為新電池非常耐用。但是由于電池間的個(gè)體差異、工作環(huán)境溫度、充放電電流、過(guò)充過(guò)放等因素影響，經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)后，個(gè)體間的差異會(huì)逐漸擴(kuò)大。

主要表現(xiàn)在容量、電壓、內(nèi)阻等差異越來(lái)越大，使得電池間充放電倍率差異增大，未衰減或輕微衰減電池的充放電倍率基本不變，衰減電池的充放電倍率則明顯增大，衰減越嚴(yán)重，實(shí)際充放電倍率越大，溫升越明顯，不同的溫升還會(huì)進(jìn)一步加劇電池的差異化衰減。

充放電倍率包括充電倍率和放電倍率。在應(yīng)用和實(shí)踐中，人們往往重視放電倍率，卻忽視了充電倍率，事實(shí)上，高充電倍率同樣是造成電池一致性問(wèn)題的重要原因。高倍率充電會(huì)使衰減電池（小容量電池）經(jīng)常發(fā)生過(guò)充電，加劇小容量電池的衰減，并形成惡性循環(huán)。

惡性循環(huán)的最嚴(yán)重后果是充電時(shí)電池溫度急劇升高，繼而可能引發(fā)電池組發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故，這種案例非常多。此外，充電倍率差異過(guò)大還會(huì)使電池組的可用容量越來(lái)越小，低衰減或未衰減電池的容量無(wú)法得到有效利用。

高倍率放電加劇小容量電池的衰減，特別是放電期間，如果不能進(jìn)行有效控制，小容量電池極易發(fā)生過(guò)放電，形成不可恢復(fù)性損傷，衰減加速，放電期間，溫升明顯超過(guò)其它電池，進(jìn)一步加速小容量電池的衰減并進(jìn)入惡性循環(huán)。

由此可見(jiàn)，控制小容量電池的充放電倍率，對(duì)于延長(zhǎng)電池組循環(huán)使用壽命是非常重要的。大量研究實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用表明，當(dāng)充放電倍率和截止電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，電池衰減加速，為了降低電池的衰減速率，需要選擇合適的充放電倍率和高效控制截止電壓。

2、等倍率均衡充放電實(shí)現(xiàn)機(jī)理及實(shí)例

通過(guò)前面的示意圖不難看出，降低充放電倍率，即降低衰減電池的充放電電流是解決電池快速衰減的關(guān)鍵，科學(xué)實(shí)踐證明，分流是最佳技術(shù)手段，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)提高大容量電池的充放電流，降低小容量電池的充放電電流予以實(shí)現(xiàn)，即均衡充放電。

通過(guò)分流技術(shù)調(diào)整電池的充放電電流，就是在電池上并聯(lián)一種自動(dòng)調(diào)整裝置，通過(guò)裝置的智能化操作自動(dòng)調(diào)節(jié)每一塊電池的工作電流，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分流。即充電期間，自動(dòng)對(duì)容量大的電池提高充電電流，對(duì)容量小的電池減小充電電流，進(jìn)行等倍率充電；放電期間，自動(dòng)對(duì)容量大的電池提高放電電流，對(duì)容量小的電池減小放電電流，進(jìn)行等倍率放電。

基于上述原理，下面結(jié)合具體實(shí)例和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。為使實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)明顯地反映出分流效果，采用容量非常懸殊的兩塊鋰電池組建串聯(lián)電池組， B1電池（綠色18650型號(hào)）容量約1Ah，B2電池（藍(lán)色方形）容量約為11Ah，使用雙向同步整流技術(shù)的高速、高效電池均衡器[1]樣機(jī)（支持10A以上連續(xù)均衡電流），兩塊萬(wàn)用表測(cè)量電池的實(shí)時(shí)電壓，使用鉗形表檢測(cè)電池的實(shí)際放電電流，充電器型號(hào)DPS-305BF，恒流負(fù)載型號(hào)3710A。

2.1 大電流均衡充電實(shí)驗(yàn)

對(duì)該電池組進(jìn)行4A恒流充電期間，在均衡器的強(qiáng)大分流、均衡作用下，B2電池的實(shí)際充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電總電流，高達(dá)7.13A，圖3所示，本應(yīng)通過(guò)B1電池的4A電流，實(shí)際上只有0.66A左右（圖略），剩余的3.34A（4A-0.66A=3.34A）電流通過(guò)均衡器轉(zhuǎn)換輸送到B2電池，增加B2電池的充電電流，兩塊電池的實(shí)際充電電流相差6.57A，相差近11倍，非常懸殊。

通過(guò)計(jì)算，B1電池的實(shí)際充電倍率約為0.66（0.66/1=0.66）C，B2電池的實(shí)際充電倍率約為0.65（6.57/11=0.65）C，去除測(cè)量誤差影響，兩塊電池的充電倍率基本相同。圖中還可以看到，盡管兩塊電池的充電電流非常懸殊，但是兩塊電池的相對(duì)電壓差卻非常小，只有70mv左右，溫升基本相同，B1電池的實(shí)際充電電流大幅度降低，因內(nèi)阻原因產(chǎn)生的熱量大幅度降低，消除了潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

圖3充電電流4A情況下B2電池的實(shí)際充電電流達(dá)到7.13A

2.2 大電流均衡放電實(shí)驗(yàn)

在大電流恒流均衡放電實(shí)驗(yàn)期間，將總放電電流提高至5A，此時(shí)，均衡器的均衡電流高達(dá)9.08A，如圖4所示，經(jīng)測(cè)量，電池B1和B2的實(shí)際放電電流分別為0.87A和9.82A（圖略），通過(guò)計(jì)算得知B1和B2電池的放電倍率分別為0.87C和0.89C，去除測(cè)量誤差，放電倍率基本相同，直至放電結(jié)束，兩塊電池的放電溫升仍基本相同，B1電池實(shí)際放電電流大幅度下降，因內(nèi)阻原因引起的溫升大幅度降低，直接消除了溫升引起的熱失控隱患。

圖4放電電流5A情況下B2電池的實(shí)際放電電流達(dá)到9.08A

均衡放電實(shí)驗(yàn)表明，均衡器的介入，對(duì)于控制不同容量電池實(shí)行等倍率放電的作用是明顯的，小容量電池的實(shí)際放電電流顯著低于大容量電池的實(shí)際放電電流，不僅有效預(yù)防小容量電池過(guò)放電，而且提高了大容量電池的容量利用率，意義重大。

3、拓展實(shí)驗(yàn)情況及分析

在均衡放電期間及結(jié)束時(shí)，兩塊電池的電壓一直處于安全、低壓差狀態(tài)，B1電池未進(jìn)入放電截止電壓區(qū)間，整組電池表現(xiàn)出良好的均衡放電特征，即使在全程使用5A恒流放電至放電結(jié)束的情況下，B1電池也沒(méi)有出現(xiàn)溫度升高的情況，控制溫升效果顯著。

作為對(duì)照，對(duì)放電結(jié)束的電池組在保持均衡器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的情況下，以5A恒流充電至自動(dòng)切換恒壓充電期間，本應(yīng)通過(guò)B1電池的的5A電流，實(shí)測(cè)最大充電電流只有0.84A左右，折合最大充電倍率約0.84C，而B(niǎo)2電池的實(shí)測(cè)充電電流高達(dá)8.8A左右，折合最大充電倍率約0.80C，兩塊電池的充電倍率非常接近，電壓上升速度也基本相同，最大電壓差只有0.11V左右，B1電池的最高電壓也只有4.23V左右，始終處于安全電壓以內(nèi)，均衡器樣機(jī)在連續(xù)大電流均衡的情況下只有微量的溫升。

在轉(zhuǎn)入恒壓充電期間，隨著充電電流的減小，均衡電流和電壓差同步減小。當(dāng)將B1電池更換為較大容量的電池時(shí)，并且電池均衡器不變的情況下，在進(jìn)行相同的3A、4A和5A恒流充放電時(shí)，充放電流明顯增大，補(bǔ)充電流和分流電流明顯縮小，但兩塊電池的的充放電倍率仍基本相同，均衡器同樣幾乎感覺(jué)不到溫升，可見(jiàn)均衡器的電流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力直接影響電池的充放電倍率。

均衡充放電實(shí)驗(yàn)表明，小容量電池實(shí)現(xiàn)了少充少放，大容量電池實(shí)現(xiàn)了多充多放，不同容量電池實(shí)現(xiàn)了近似等倍率充放電，在均衡電壓的同時(shí)，也同時(shí)對(duì)電池的容量和SOC[2]進(jìn)行了均衡，對(duì)于防控小容量電池的過(guò)充電和過(guò)放電，以及提高大容量電池的容量利用率效果顯著。

電池組的一致性問(wèn)題是一個(gè)無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)難題，只要是串聯(lián)電池組就一定存在，只是輕重程度不同而已，并且會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸加重，如果從電池成組就通過(guò)通過(guò)主動(dòng)均衡予以干預(yù)，那么一致性問(wèn)題的發(fā)生就會(huì)大大延后，甚至不會(huì)發(fā)生一致性問(wèn)題，通過(guò)各種對(duì)照實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)時(shí)均衡功能的轉(zhuǎn)移式動(dòng)態(tài)電池均衡技術(shù)在控制電池充放電倍率方面的表現(xiàn)最佳。

當(dāng)電池出現(xiàn)不一致情況時(shí)自動(dòng)進(jìn)行小電流均衡，充放電后期或者劇烈電流波動(dòng)導(dǎo)致電池間電壓差拉大時(shí)，均衡電流同步自動(dòng)加大，自動(dòng)降低小容量電池充放電電流和充放電倍率，不僅主動(dòng)預(yù)防了小容量電池的過(guò)充電和過(guò)放電問(wèn)題，還提高了大容量電池的容量利用率，消除“木桶效應(yīng)”帶來(lái)的容量短板問(wèn)題，保證電池組的充電容量和放電容量穩(wěn)定，不僅解決了衰減問(wèn)題、一致性問(wèn)題，還提高了容量的利用率，特別是有效防控了熱失控風(fēng)險(xiǎn)，提高了電池組的運(yùn)行安全性。

4、展望

為便于闡述，增大測(cè)量數(shù)據(jù)的反差，提高視覺(jué)效果，本文只進(jìn)行了2串容量懸殊電池組等倍率均衡放電實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，鑒于實(shí)驗(yàn)電池均衡器的工作原理，適合于任意串電池組，主動(dòng)調(diào)節(jié)多串電池組中不同容量電池的充放電倍率的原理是相同的。

高效大功率電池均衡器的介入和干預(yù)，不僅實(shí)現(xiàn)了不同容量電池的的等倍率充放電，而且能夠顯著降低小容量電池的工作溫升和衰減速度，對(duì)于防止電池?zé)崾Э亍⑻岣唠姵亟M的安全、穩(wěn)定運(yùn)行作用明顯，特別是對(duì)于大功率動(dòng)力電池組以及大規(guī)模梯次電池的二次利用具有重要意義。